CN102486373B

CN102486373B - 测距方法及测距系统

Info

Publication number: CN102486373B
Application number: CN201010568021.5A
Authority: CN
Inventors: 杨恕先; 陈信嘉; 古人豪; 黄森煌
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: CN102486373A

Abstract

本发明提供一种测距系统，其包括光源模组、影像获取装置和处理模组。光源模组会向至少第一和第二平面，以及待测物投射具有斑点图样。影像获取装置则获取第一平面和第二平面上所呈现之斑点图样的影像，并且获取待测物的一個表面所呈现的斑点图样的影像，而产生第一和第二参考影像信息，以及待测物影像信息。处理模组则依据第一和第二参考影像信息，来计算斑点图样中每一斑点的位移向量，并获得每一斑点的位移信息，以依据所获得各斑点的位移信息和对应的位移向量，计算出待测物与第一平面或第二平面的相对距离。在上述测距系统中，只需要用到较少的平面，可以有效地简化软件的处理程序。本发明还提供一种测距方法。

Description

测距方法及测距系统

技术领域

本发明有关于一种测距技术，且特别有关于一种三维测距技术。

背景技术

目前的测距仪器可以分为接触式和非接触式。其中，接触式测距仪器，也就是传统的测距技术，其例子包括坐标量测机(Coordinate MeasuringMachine，CMM)。虽然接触式量测技术相当精确，但是由于必须接触待测物的本体，有可能会导致待测物遭到测距仪器的探针的破坏。因此，接触式测距装置不适用于高价值物件的测量。

相比于传统的接触式测距仪器，非接触测距仪器由于运作频率高达数百万，因此使用的领域相当广泛。非接触测距技术又分为主动式与被动式。所谓的主动式非接触测距技术，就是将一能量波投射至待测物，再通过能量波反射来计算待测物与参考点之间的距离。常见的能量波包括一般的可见光、高能光束、超音波与X射线。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种测距系统和一种测距方法，可以利用非接触的方式来测量一个待测物的位置。

本发明提供一种测距系统，包括光源模组、影像获取装置和处理模组。光源模组会向至少一个第一平面和一个第二平面投射具有斑点图样的面光源，并且向一个待测物投射此面光源，使得第一平面、第二平面和待测物朝向光源模组的表面上会呈现斑点图样的影像，其中斑点图样具有多个斑点。另外，影像获取装置会获取第一平面和第二平面上所呈现的斑点图样的影像，而产生第一参考影像信息和第二参考影像信息。此外，影像获取装置还会获取待测物朝向光源模组的表面所呈现的斑点图样的影像，而产生待测物影像信息。处理模组则是耦接至影像获取装置，以取得第一参考影像信息和第二参考影像信息，来计算每一个斑点的位移向量。除此之外，处理模组还将待测物影像信息与第一参考影像信息和第二参考影像信息二者其中之一比对，以获得每一个斑点在待测物影像信息中的位移信息，并且依据对应的位移向量而计算出待测物与第一平面或第二平面的相对距离。其中每一个斑点的位移向量，指的是每一个斑点在该第一平面上的位置和该第二平面上的位置之间的变化量。

在本发明另一实施例中，光源模组包括激光光源和扩散元件。激光光源会发射一束激光光束至扩散元件，使得激光光束在扩散元件中发生干涉和衍射现象，而产生上述的面光源。其中，扩散元件为扩散片、毛玻璃或光学衍射元件。

本发明还提供一种测距方法，包括投射具有一斑点图样的面光源到至少一个第一平面和一个第二平面上，而此斑点图样具有多个斑点。接着，分别取得在第一平面和第二平面上所呈现的斑点图样的影像，而获得第一参考影像信息和一第二参考影像信息。由此，本发明可以比对第一参考影像信息和第二参考影像信息，而计算每一个斑点的位移向量，其中各斑点的位移向量，指的是每一个斑点在第一平面位置和第二平面上位置之间的变化量。另一方面，将面光源投射到一个待测物上，并且取得待测物朝向面光源的表面上所呈现的斑点图样的影像，而获得一待测物影像信息。

另外，将待测物影像信息与第一参考影像信息和第二参考影像信息二者其中之一比对，以获得在待测物影像信息中每一个斑点的位移信息。接着，依据所获得各斑点的位移信息和对应的位移向量，而计算出待测物与第一平面或该第二平面间的相对距离。

在另外的实施例中，本发明还可以建立一个调整公式和一个调整值查找表二者至少其中之一。由此，本发明可依据每一个斑点在待测物影像信息中的位移信息、对应的位移向量、以及调整公式和调整值查找表二者至少其中之一，而计算出待测物的一个绝对位置。

由于本发明是将一个斑点图样投射在第一平面上和第二平面上，以获得斑点图样中每一个斑点的位移向量。由此，本发明就可以将待测物的一个表面上所呈现的斑点图样的影像与第一平面或第二平面上的影像相比，来计算出待测物的位置。上述测距系统中，只需要用到较少的平面，可以有效地简化软件的处理程序。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1所示为依照本发明第一实施例的一种测距系统的示意图。

图2所示为依照本发明较佳实施例的一种具有斑点图样的面光源的示意图。

图3和图4所示为依照本发明较佳实施例的在不同平面上所呈现的斑点图样的影像的示意图。

图5所示为依照本发明较佳实施例的在不同平面上各斑点位置的变化的示意图。

图6所示为依照本发明较佳实施例的一种在待测物的一个表面上所呈现的斑点图样影像的示意图。

图7所示为依照本发明第二实施例的一种测距系统的示意图。

图8所示为依照本发明第三实施例的一种测距系统的示意图。

图9所示为依照本发明较佳实施例的一种测距方法的步骤流程图。

图10所示为依照本发明另一实施例的一种依据各斑点的位移向量来计算待测物的位置的步骤流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的测距方法、测距系统与及其处理软体软件的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

图1所示为依照本发明第一实施例的一种测距系统的示意图。请参照图1，本实施例所提供的测距系统100包括光源模组102、影像获取装置104和处理模组106。光源模组102可以提供面光源，并且向一测量范围内投射一个斑点图样。另外，影像获取装置104可以耦接处理模组106。

在本实施例中，光源模组102包括激光光源112和扩散元件114。其中，激光光源112可以是气体激光，例如是氦氖激光，或者是半导体激光。另外，扩散元件114可以是扩散片、毛玻璃或其它的光学衍射元件。当激光光源112所发出的激光光束116打在扩散元件114时，会在扩散元件114中产生散射，而产生一面光源，如图2所示。在图2中可以清楚看到，此面光源会投射一斑点图样，并且此斑点图样具有多个斑点。

请再参照图1，在本实施例中，光源模组102可以将斑点图样分别投射在第一平面122和第二平面124上。在一些实施例中，第一平面122和第二平面124在可视范围内彼此会互相平行。而在另一些实施例中，第一平面122和第二平面124可以利用将同一个平面放置在不同的位置上来实现。另外，第一平面122和第二平面124大致上可以垂直于激光光束116的光轴AX。

当斑点图样被投射在第一平面122和第二平面124时，在第一平面122和第二平面124上就会产生斑点图样的影像，例如图3和图4所示。此时，影像获取装置104就会获取在第一平面122和第二平面124上所呈现的斑点图样的影像，并且产生第一参考影像信息IMG1和第二参考影像信息IMG2给处理模组106。其中，处理模组106可以是一个电脑系统或是处理软件，可以用来解析待测物的位置，详细的原理在以下各段中将有说明。

另外，影像获取装置104可以是摄影机或是电荷耦合元件。当影像获取装置104产生第一参考影像信息IMG1和第二参考影像信息IMG2给处理单元106时，处理单元106会将二者进行比对，以获得每一斑点在第一平面122和第二平面124上之位置的变化量，而获得各斑点的位移向量。

图5所示为依照本发明较佳实施例的在不同平面上各斑点位置的变化的示意图。在本实施例中，当斑点图样投射在第一平面上122时，斑点502、504和506的位置是在区域A1内。而当斑点图样被投射到第二平面124上时，斑点502、504和506的位置会位移到区域A2内。由于第一平面122较第二平面124靠近光源模组102，因此在第一平面122上所呈现的斑点尺寸会较大。从图5中可以得知，当斑点图样投射到不同的平面上时，每一斑点都会产生位移。因此，处理单元106就根据每一斑点在不同平面上的位置的变化量，而计算出各斑点的位移向量，例如位移向量V1。

请继续参照图1，当一个待测物126出现在测量范围内时，其朝向面光的的表面上会反射面光源，而呈现斑点图样的影像。图6所示为依照本发明较佳实施例的一种在待测物的一个表面上所呈现的斑点图样影像的示意图。在图6中，区域A3和A4中的影像，即是待测物126朝向面光源的表面上所呈现的斑点图样的影像。此时，影像获取装置104会获取待测物126的一个表面上所呈现的斑点图样的影像，并产生待测物影像信息IMG3给处理模组106。

当处理模组106收到待测物影像信息IMG3时，会将此待测物影像信息IMG3与第一参考影像信息IMG1和第二参考影像信息IMG2二者其中之一进行比对。由此，处理模组106会获得每一斑点在待测物影像信息IMG3中的位移信息。接着，处理模组106就会依据各斑点在待测物影像信息IMG3中的位移信息，以及相对应的位移向量，而获得待测物126与第一平面122或第二平面间的相对距离。

在本实施例中，获得位移向量的步骤，包括绝对值差之和(Sum ofAbsolute Difference，SAD)。由于每一斑点的位移，是取决于周围影像与各个可能位置的绝对值差之和。其中，SAD值最小者就被视为位移向量。另外，在一些实施例中，也可以利用绝对转换差之和(Sum of AbsoluteTransformed Difference，SATD)来获得位移向量。所谓的绝对值转换，是将上述的绝对值经由转换公式进行转换。此外，位移向量也可以利用平方差之和(Sum of Squared Difference，SSD)来获得，也就是将绝对值相减后再进行平方和的运算。

在一些实施例中，在处理模组106中，还会建立一个调整公式和一个调整值查找表至少其中之一。在这些实施例中，当处理模组106获得待测物影像信息IMG3时，可以依据各斑点在待测物影像信息IMG3中的位移信息、对应的位移向量、以及调整公式和调整值查找表二者至少其中之一，来计算待测物126的绝对位置。

图7所示为依照本发明第二实施例的一种测距系统的示意图。请参照图7，在第一实施例中，影像获取装置104是放置光轴AX的一侧，并且介于激光光源112和第一平面122之间的位置。然而本实施例所提供的测距系统700中，影像获取装置104的镜头中心，则是对准光轴AX。另外，在本实施例中，激光光源112和扩散元件114之间，会配置一个透镜702。当激光光束116通过透镜702时会被扩散，然后再到达扩散元件114。而在扩散元件114和第一平面122之间，则会配置一个分光元件704。因此，第一平面122、第二平面124和待测物126反射的光线的部分，会被分光元件704送到影像获取装置104。由此，影样获取装置104的镜头中心就可以对准光轴AX。

图8所示为依照本发明第三实施例的一种测距系统的示意图。请参照图8，在本实施例所提供测距系统800中，影像获取装置104可以被放置在与激光光源112相对应的位置。而其余的装置，在以上的各段中都有对应的阐述，因此不再赘述。

图9所示为依照本发明较佳实施例的一种测距方法的步骤流程图。请参照图9，本实施例所提供的测距方法，如同步骤S902所述，会投射具有斑点图样的面光源到至少一第一平面和第二平面上。其中，斑点图样具有多个斑点。接着，如步骤S904所述，分别取得第一平面和第二平面上所呈现的斑点图样的影像，而获得第一参考影像信息和第二参考影像信息。此时，本实施例可以比对第一参考影像信息和第二参考影像信息，而计算每一斑点的位移向量，也就是各斑点在不同平面上之位置的变化量。

另外，面光源还会如步骤S908所述，被投射到一个待测物上。由此，本实施例就可以取得待测物朝向面光源之表面上所呈现的斑点图样的影像，而获得一待测物影像信息，就如步骤S910所述。此时，本实施例就可以进行步骤S912，就是依据各斑点的位移向量，以及每一斑点在待测物影像信息中的位置，而计算出待测物的位置。

在本实施例中，步骤S912包括进行步骤S922，也就是将待测物影像信息与第一参考影像信息或是第二参考影像信息比对，以获得每一斑点在待测物影像信息中的位移信息。接着，进行步骤S924，就是依据各斑点在待测物影像信息中的位移信息，并且依据对应的位移向量，而计算出待测物与第一平面或第二平面间的相对距离。

图10所示为依照本发明另一实施例的一种依据各斑点的位移向量来计算待测物的位置的步骤流程图。请参照图10，在此实施例中，图9的步骤S912，则可以先进行步骤S1002，就是建立一个调整公式和一个调整值查找表至少其中之一。接着，可以进行步骤S1004，也就是将待测物影像信息与第一参考影像信息或是第二参考影像信息比对，以获得每一斑点在待测物影像信息中的位移信息。由此，就可以进行步骤S1006，也就是依据各斑点在待测物影像信息中的位移信息、相对应的位移向量、以及调整公式和调整值查找表二者至少其中之一，而计算出待测物的绝对位置。

综上所述，本发明是利用每一斑点的位移向量，来计算待测物的距离。因此，在本发明中，只需要用到较少的平面(第一平面和第二平面)，可以有效地简化软件的处理程序。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明,任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种测距系统，其特征是包括：

一个光源模组，向至少一个第一平面和一个第二平面投射具有一斑点图样的面光源，并向一个待测物投射该面光源，使得该第一平面、该第二平面和该待测物朝向该光源模组的表面呈现该斑点图样的影像，其中该斑点图样具有多个斑点；

一个影像获取装置，获取该第一平面和该第二平面上所呈现的斑点图样的影像，而产生第一参考影像信息和第二参考影像信息，并获取该待测物朝向该光源模组的表面所呈现的斑点图样的影像，而产生待测物影像信息；以及

一个处理模组，耦接该影像获取装置，并取得该第一参考影像信息和该第二参考影像信息，以计算每一个斑点的位移向量，且该处理模组还将该待测物影像信息与该第一参考影像信息和该第二参考影像信息二者其中之一比对，以获得每一个斑点在该待测物影像信息中的位移信息，再依据对应的位移向量而计算出该待测物与该第一平面或该第二平面的相对距离，其中每一个斑点的位移向量，指的是每一个斑点在该第一平面上的位置和该第二平面上的位置之间的变化量。

2.如权利要求1所述的测距系统，其特征在于：该光源模组包括：

一个激光光源，用以发射一激光光束；以及

一个扩散元件，放置在该激光光束行进的路径上，以接收该激光光束，且该激光光束在该扩散元件中会发生干涉现象和衍射现象，而产生该面光源。

3.如权利要求2所述的测距系统，其特征在于：扩散元件为扩散片、毛玻璃或一个光学衍射元件。

4.如权利要求1所述的测距系统，其特征在于：该影像获取装置为一个摄影机或一个电荷耦合元件。

5.如权利要求1所述的测距系统，其特征在于：该第一平面和第二平面在一个可视范围内是彼此平行，并且基本垂直该面光源的光轴。

6.一种测距方法，其特征在于：包括下列步骤：

投射具有一斑点图样的面光源到至少一个第一平面和一个第二平面上，而该斑点图样具有多个斑点；

分别取得在该第一平面和该第二平面上所呈现的斑点图样的影像，而获得第一参考影像信息和第二参考影像信息；

比对该第一参考影像信息和该第二参考影像信息，而计算每一个斑点的位移向量，其中各该斑点的位移向量，指的是每一个斑点在该第一平面上的位置和该第二平面上的位置之间的变化量；

将该面光源投射到一个待测物上；

取得该待测物朝向该面光源的表面上所呈现该斑点图样的影像，而获得待测物影像信息；以及

将该待测物影像信息与该第一参考影像信息和该第二参考影像信息二者其中之一比对，以获得在该待测物影像信息中每一个斑点的位移信息；以及

依据所获得每一个斑点的位移信息和对应的每一个斑点的位移向量，而计算出该待测物与该第一平面或该第二平面间的相对距离。

7.如权利要求6所述的测距方法，其特征在于：还包括下列步骤：

建立一个调整公式和一个调整值查找表二者至少其中之一；以及

依据每一个斑点在该待测物影像信息中的位移信息、对应的每一个斑点的位移向量、以及该调整公式和该调整值查找表二者至少其中之一，而计算出该待测物的绝对位置。